PL235861B1 - Ferrodynamic servo-motor and method of operation of a Ferrodynamic servo-motor - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest ferrodynamiczny cylindryczny siłownik (aktuator) przeznaczony do liniowego przemieszczania ruchomych elementów wykonawczych automatyki, a w szczególności do poruszania zaworów w silnikach spalinowych. Siłownik ten może również sterować układami hydraulicznymi i pneumatycznymi robotów i urządzeń, w tym urządzeń wykonujących oscylacyjny ruch liniowy o dużej częstotliwości. Siłownik ferrodynamiczny może być wykorzystany również do regulacji efektywnego stopnia sprężania w silniku spalinowym.The subject of the invention is a ferrodynamic cylindrical actuator intended for linear displacement of movable actuators of automation, and in particular for actuating valves in internal combustion engines. The actuator can also control the hydraulic and pneumatic systems of robots and devices, including devices that perform high-frequency linear oscillating motion. The ferrodynamic actuator can also be used to control the effective compression ratio in an internal combustion engine.

Znana jest z amerykańskiego opisu US2005007228 Tablica magnetyczna pola magnetycznego o wysokim natężeniu i siłownik w której zapewniony jest co najmniej jeden zestaw dwóch zagnieżdżonych układów magnetycznych, przy czym każdy zagnieżdżony układ magnetyczny ma magnes zewnętrzny, magnes środkowy i magnes wewnętrzny. Magnes zewnętrzny ma magnetyzację wskazującą w przynajmniej częściowo osiowym kierunku. Środkowy magnes ma magnetyzację zasadniczo prostopadłą do magnesowania zewnętrznego magnesu. Magnes wewnętrzny ma magnetyzację skierowaną zasadniczo przeciwrównolegle do namagnesowania zewnętrznego magnesu. Urządzenie obejmuje również co najmniej jedną cewkę przewodzącą prąd elektryczny usytuowaną co najmniej częściowo pomiędzy dwoma zagnieżdżonymi układami magnetycznymi. Co najmniej jeden zasadniczo przepuszczalny magnetycznie obiekt jest umieszczony co najmniej częściowo, pomiędzy dwoma zagnieżdżonymi układami magnetycznymi. Pręt jest integralny z zasadniczo magnetycznie przepuszczalnym obiektem.It is known from US2005007228 A high intensity magnetic field array and an actuator wherein at least one set of two nested magnet systems is provided, each nested magnet system having an outer magnet, a center magnet and an inner magnet. The outer magnet has a magnetization pointing in an at least partially axial direction. The middle magnet has a magnetization substantially perpendicular to the magnetization of the outer magnet. The inner magnet has a magnetization substantially anti-parallel to the magnetization of the outer magnet. The device also includes at least one electrically conductive coil positioned at least partially between the two nested magnetic systems. The at least one substantially magnetically permeable object is positioned at least partially between two nested magnetic systems. The rod is integral with the substantially magnetically permeable object.

Znany jest z amerykańskiego opisu US2003127317 miniaturowy siłownik, na przykład do zastosowania w pojeździć Micro Air, zawiera co najmniej jeden zagnieżdżony układ magnesów, z zewnętrznym pierścieniowym magnesem z namagnesowaniem wskazującym w kierunku osiowym, środkowym pierścieniowym magnesem z radialnym namagnesowaniem i wewnętrznym cylindrycznym magnesem z namagnesowaniem skierowanym przeciwrównolegle do namagnesowania zewnętrznego pierścieniowego magnesu. W jednym przykładzie wykonania urządzenie uruchamiające z magnesami trwałymi zawiera taki układ, a cewka przewodząca ma prąd rozproszony na, objętości przewodzącej cewki, przy czym pole magnetyczne układu jest prostopadłe do prądu znajdującego się w cewce. Cewka może znajdować się powyżej lub poniżej pierwszej matrycy magnetycznej. W innym przykładzie wykonania, przewodząca cewka jest umieszczona pomiędzy dwoma matrycami magnetycznymi. Cewka może mieć uzwojenie, które ma kształt naleśnika, solenoidu lub toroidalny może zawierać więcej niż jedno uzwojenie. Układy magnetyczne mogą być nachylone, aby umożliwić rozszerzanie się uzwojenia toroidalnego, umożliwiając kontrolę nad rozprzestrzenianiem się pola magnetycznego w szczelinie.A miniature actuator is known from US2003127317, e.g. for use in a Micro Air vehicle, containing at least one nested system of magnets, with an outer ring magnet with axial magnetization, a center ring magnet with radial magnetization and an inner cylindrical magnet with directed magnetization antiparallel to the magnetization of the outer ring magnet. In one embodiment, the permanent magnet actuator comprises such an arrangement, and the conductive coil has a current dissipated across the volume of the conductive coil, the arrangement's magnetic field being perpendicular to the current in the coil. The coil may be above or below the first magnetic array. In another embodiment, the conductive coil is sandwiched between two magnetic arrays. The coil may have a winding that is pancake, solenoid, or toroidal, may include more than one winding. The magnetic systems can be tilted to allow the toroidal winding to expand, allowing control of the magnetic field propagation in the gap.

Również znany jest z amerykańskiego opisu US2005168311 siłownik magnetyczny o dużym natężeniu pola magnetycznego posiadający co najmniej jeden zestaw dwóch magnesów gdzie co najmniej jeden z magnesów ma zewnętrzną część magnetyczną, środkową część magnesu i wewnętrzną część magnesu. Zewnętrzna część magnesu ma magnetyzację wskazującą w co najmniej częściowo osiowym kierunku. Środkowa część magnesu ma magnetyzację zasadniczo prostopadłą do namagnesowania zewnętrznej części magnesu. Wewnętrzna część magnetyczna ma magnetyzację skierowaną zasadniczo przeciwrównolegle do namagnesowania zewnętrznej części magnesu. Urządzenie zawiera także co najmniej jedną cewkę przewodzącą prąd elektryczny usytuowaną co najmniej częściowo pomiędzy zestawem dwóch magnesów. Co najmniej jeden zasadniczo magnetycznie przepuszczalny obiekt jest umieszczony co najmniej częściowo pomiędzy zestawem dwóch magnesów. Pręt jest integralny z zasadniczo magnetycznie przepuszczalnym obiektem.Also known from US2005168311 a high-field magnetic actuator having at least one set of two magnets, at least one of the magnets having an outer magnetic portion, a central magnet portion and an inner magnet portion. The outer part of the magnet has a magnetization pointing in an at least partially axial direction. The center of the magnet has a magnetization substantially perpendicular to the magnetization of the outer magnet. The inner magnetic portion has a magnetization substantially anti-parallel to the magnetization of the outer magnet portion. The device also includes at least one electrically conductive coil positioned at least partially between the set of two magnets. The at least one substantially magnetically permeable object is positioned at least partially between the set of two magnets. The rod is integral with the substantially magnetically permeable object.

Z polskiego opisu patentowego P351981 znany jest napęd elektromagnetyczny bistabilny z magnesem trwałym zawierający: jarzmo magnetyczne, co najmniej jeden magnes trwały, zworę magnetyczną zamocowaną ruchomo pomiędzy dwoma położeniami stabilnymi, element do przestawiania zwory z jednego położenia stabilnego w drugie, przy czym w pierwszym położeniu stabilnym elementy napędu tworzą pierwszą część obwodu magnetycznego o dużej reluktancji i drugą część obwodu o małej reluktancji, a w drugim położeniu stabilnym elementy napędu tworzą pierwszą część obwodu o małej reluktancji i drugą część obwodu magnetycznego o dużej reluktancji, charakteryzujący się tym że, pomiędzy ruchomą zworą i jarzmem znajduje się podkładka z materiału elastycznego o własnościach materiału magnetycznego i względnej przenikalności magnetycznej większej od 1,1.The Polish patent description P351981 describes a bistable electromagnetic drive with a permanent magnet, containing: a magnetic yoke, at least one permanent magnet, a magnetic armature movably mounted between two stable positions, an element for changing the armature from one stable position to another, in the first stable position the drive elements form a first part of a high reluctance magnetic circuit and a second part of a low reluctance circuit, and in a second stable position the drive elements form a first part of a low reluctance circuit and a second part of a high reluctance magnetic circuit characterized in that between the movable armature and the yoke there is a washer made of an elastic material with the properties of a magnetic material and a relative magnetic permeability greater than 1.1.

Dotychczas stosowane siłowniki zbudowane są z wykorzystaniem magnesów trwałych bądź to w stojanie bądź w biegniku. Dlatego siłowniki takie można uważać za hybrydowe. Umieszczone na częThe actuators used so far are built with the use of permanent magnets either in the stator or in the runner. Therefore, such actuators can be considered hybrid. Placed on part

PL 235 861 B1 ści stałej lub ruchomej magnetowodu, magnesy trwałe nieco osłabiają konstrukcję. Są one mało odporne na drgania i znaczny wzrost temperatury. Użyteczna siła magnetyczna powstaje w nich w wyniku oddziaływania pól magnesów trwałych i uzwojeń. Siłowniki do sterowania zaworami silnika spalinowego są narażone na w/w czynniki. Chociaż magnesy trwałe generują stosunkowo duże strumienie magnetyczne, to stanowią duży opór dla strumieni wytwarzanych przez uzwojenia sterujące, powodując jego zmniejszenie, co jest niekorzystne dla sterowania.If the magnetic core is fixed or movable, the permanent magnets weaken the structure a bit. They are not very resistant to vibrations and significant temperature increase. The useful magnetic force is created in them as a result of the interaction of the fields of permanent magnets and windings. The actuators for controlling the valves of the internal combustion engine are exposed to the above-mentioned factors. Although permanent magnets generate relatively high magnetic fluxes, they present a high resistance to fluxes generated by the control windings, causing it to be reduced, which is detrimental to control.

Celem wynalazku jest konstrukcja ferrodynamicznego siłownika liniowego, który nie posiada magnesów trwałych o konstrukcji bardziej odpornej na drgania, co pozwoli na zastosowanie go w urządzeniach narażonych na wstrząsy. Przykładem może być silnik spalinowy.The object of the invention is the construction of a ferrodynamic linear actuator that does not have permanent magnets with a structure more resistant to vibrations, which will allow it to be used in devices exposed to shocks. An example would be an internal combustion engine.

Istotą siłownika ferrodynamicznego zbudowanego z magnetowodu składającego się ze stojana, złożonego z cylindra, podstawy górnej i dolnej oraz przekładki ferromagnetycznej, a także biegnika jest to, że posiada nieruchome cewki uzwojenia bazowego i nieruchome cewki uzwojenia sterującego.The essence of a ferrodynamic actuator consisting of a stator, consisting of a cylinder, upper and lower base, and a ferromagnetic spacer, as well as a runner, is that it has stationary coils of the base winding and stationary coils of the control winding.

Korzystnie jest gdy siłownik ferrodynamiczny posiada bieguny stojana będące fragmentami jego podstawy górnej i dolnej.Preferably, the ferrodynamic actuator has the stator poles being parts of its upper and lower base.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest uzyskanie konstrukcji ferrodynamicznego siłownika liniowego, nie posiadającego magnesów trwałych gdzie siła magnetyczna siłownika powstaje w wyniku oddziaływania dwóch namagnesowanych elementów ferromagnetycznych, czyli stojana i biegnika. Tego typu konstrukcja jest bardziej odporna na drgania, co predysponuje ją do zastosowań w urządzeniach narażonych na wstrząsy takich jak elementy wykonawcze automatyki, w szczególności do poruszania zaworów w silnikach spalinowych. Siłownik ten może również sterować układami hydraulicznymi i pneumatycznymi robotów i urządzeń, a w tym urządzeń wykonujących oscylacyjny ruch liniowy o dużej częstotliwości.The advantage of the solution according to the invention is the construction of a ferrodynamic linear actuator without permanent magnets, where the magnetic force of the actuator results from the interaction of two magnetized ferromagnetic elements, i.e. the stator and the runner. This type of structure is more resistant to vibrations, which makes it suitable for applications in devices exposed to shocks, such as automation actuators, in particular for actuating valves in internal combustion engines. The actuator can also control the hydraulic and pneumatic systems of robots and devices, including devices that perform high-frequency linear oscillating motion.

Przedmiot rozwiązania pokazany jest na RYS. 1, który przedstawia połowę przekroju ferrodynamicznego siłownika (aktuator).The subject of the solution is shown in FIG. 1 which shows half the cross section of a ferrodynamic actuator (actuator).

Przykład wykonaniaExecution example

Siłownik ferrodynamiczny tworzy magnetowód składającego się ze stojana, utworzonego przez cylinder 1, podstawę górną 7 i dolną 8 oraz przekładkę ferromagnetyczną 9, oraz ferrodynamiczny biegnik 2 posiada nieruchome cewki 3, 4 uzwojenia bazowego i nieruchome cewki 5, 6 uzwojenia sterującego, ponadto bieguny 10 i 11 stojana są fragmentami podstawy górnej 7 i dolnej 8 siłownika.The ferrodynamic actuator forms a magnetic guide consisting of the stator formed by the cylinder 1, the upper 7 and the lower 8 base and the ferromagnetic spacer 9, and the ferrodynamic runner 2 has fixed coils 3, 4 of the base winding and fixed coils 5, 6 of the control winding, moreover the poles 10 and 11 of the stator are parts of the base of the upper 7 and lower 8 of the actuator.

Sposób działania siłownika ferrodynamicznego polega na tym, że użyteczna siła magnetyczna powstaje poprzez oddziaływanie pól uzwojenia bazowego nieruchomych cewek 3, 4 i uzwojenia sterującego nieruchomych cewek 5, 6 na ferromagnetyczny biegnik 2, przy czym jednocześnie jedna z cewek 5 albo 6 uzwojenia sterującego wzmacnia pole magnetyczne uzwojenia bazowego nieruchomych cewek 3, 4 a druga je osłabia tak, że strumień wypadkowy przechodzący przez biegnik 2 będący w położeniu górnym jak i dolnym jest taki sam. Poprawia to własności dynamiczne siłownika.The method of operation of a ferrodynamic actuator is that the useful magnetic force is generated by the action of the fields of the base winding of the fixed coils 3, 4 and the control winding of the fixed coils 5, 6 on the ferromagnetic runner 2, while one of the coils 5 or 6 of the control winding strengthens the magnetic field of the base winding of the fixed coils 3, 4, and the second weakens them so that the resultant flux passing through the runner 2 being in the upper and lower position is the same. This improves the dynamic properties of the actuator.

Claims (2)

1. Siłownik ferrodynamiczny zbudowany z magnetowodu składającego się ze stojana, złożonego z cylindra (1), podstawy górnej (7) i dolnej (8) oraz przekładki ferromagnetycznej (9), a także biegnika (2), znamienny tym, że posiada nieruchome cewki (3), (4) uzwojenia bazowego i nieruchome cewki (5), (6) uzwojenia sterującego.1. Ferrodynamic actuator made of a magnetic core consisting of a stator, consisting of a cylinder (1), an upper (7) and a lower base (8), a ferromagnetic spacer (9), and a runner (2), characterized by immobile coils (3), (4) the base winding and the fixed coils (5), (6) the control winding. 2. Siłownik według zastrz. 1, znamienny tym, że bieguny (10) i (11) stojana są fragmentami podstawy górnej (7) i dolnej (8) siłownika.2. Actuator according to claim The method according to claim 1, characterized in that the stator poles (10) and (11) are parts of the upper (7) and lower (8) base of the actuator.